一种基于视觉传感器足式机器人足端多维力感知装置的制作方法

本发明涉及足式机器人步态控制技术领域，特别涉及一种基于视觉传感器足式机器人足端多维力感知装置。

背景技术：

随着机器人技术的不断提高，机器人的应用领域已经逐步从结构化环境(如工业环境等领域)向非结构化环境(如野外勘探、灾后搜救和星球探索等领域)扩展。非结构化环境的复杂性和不确定性要求机器人具有更强的功能、更高的环境和任务的适应性。相比于轮式和履带式机器人，足式机器人在复杂环境中具有环境较强的适应性，能够在地震等灾后现场、建筑失火现场以及未知星球表面等危险场合进行监测、搜救及探索等任务。

为了适应复杂的地形环境，足式机器人的足端通常安装多维力传感器获取地面信息，如形状、刚度等，并根据这些反馈信息进行实时调整机器人的步态和姿态。目前针对足式机器人的足端多维力感知装置主要分为通用多维力传感器与专用多维力传感器。通用多维力传感器主要安装于工业机器人末端，分为应变片式(cn200810243742、cn201410287012)、压电式(cn200710157931)、电容式(cn201721577839)、光纤式(cn201510697769)等，此类传感器具有高精度、大量程、易于安装等特点，但其也具有价格昂贵、体积大以及结构复杂等缺陷；而专用多维力传感器多是在设计足式机器人的过程中，优化传感器结构，降低造价和结构复杂度，但不易于移植安装，同时刚性的多维力传感器无法实现减震。根据足式机器人运动特点可知，足端力传感器常会受到较大的冲击，从而造成足端力传感器的损坏。因此，亟待一种成本低廉、结构简单、体积小、质量轻、易于集成、可超多倍量程的足端多维力感知装置，能够提供足够精度的力学信息，帮助足式机器人准确获取外部环境状态。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明公开了一种基于视觉传感器足式机器人足端多维力感知装置，具有成本低廉、体积小、可超多倍量程、易于集成等特点，能够实现足式机器人足端多维力的检测。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于视觉传感器足式机器人足端多维力感知装置，包括球形外壳和力感知模块两部分，所述球形外壳与力感知模块通过螺丝从侧向固定连接，力感知模块分为视觉检测模块、透明柔性体与led标定盘，透明柔性体分别与视觉检测模块和led标定盘通过胶粘固定连接，视觉检测模块包含摄像头基座和微型摄像头，微型摄像头固定安装在摄像头基座的中心位置，led标定盘包含装置基座和9个球形发光二极管，球形发光二极管以3×3矩阵形式固定安装在装置基座上，球形外壳的球心与装置基座的中心重合。

另外，球形外壳上设有侧孔，侧孔用于将外壳与力感知模块固定，内部装有沉头螺栓，内部的力感知模块是封闭的，不怕进水，使用安全。

一种基于视觉传感器足式机器人足端多维力感知装置的使用方法是：该装置通过螺丝与足式机器人腿部结构的末端进行固定连接，力感知模块内部的微型摄像头透过透明柔性体获取各个球形发光二极管的图像，当足式机器人的足端与外部地面接触时，外力通过球形外壳传递到透明柔性体，导致透明柔性体发生形变，通过检测各个球形发光二极管的中心位移变化，计算获得球形外壳受的力和力矩。

本发明的有益效果是：

一、该足端多维力传感装置体积小、结构简单、易于集成、且成本低廉；

二、利用透明柔性体作为传感器受力的弹性体，能够承受多倍超量程负载，而不损坏传感装置，使用寿命长。

附图说明

图1是本发明的足端多维力感知装置的安装示意图。

图2是本发明的多维力感知装置的结构示意图。

图3是本发明的力感知模块剖视图。

图4是本发明的视觉检测模块的结构示意图。

图5是本发明的led标定盘的结构示意图。

图6是本发明的x轴方向力计算原理图。

图7是本发明的绕x轴方向的力矩计算原理图。

图8是本发明的z轴方向力计算原理图。

图9是本发明的绕z轴方向力矩计算原理图。

附图标记列表：

足式机器人小腿1；足端多维力感知装置2；球形外壳201；力感知模块202；视觉检测模块301；透明柔性体302；led标定盘303；摄像头基座401；微型摄像头402；装置基座501；球形发光二极管502。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

参见图1所示，足端多维力感知装置2通过摄像头基座401的四个螺丝孔与足式机器人小腿1的末端固定连接。

参见图2所示，足端多维力感知装置2主要包含球形外壳201和力感知模块202两部分，球形外壳201与力感知模块202通过螺丝从侧向固定连接。

图3是力感知模块202剖开后，其中一半的示意图，力感知模块202分为视觉检测模块301、透明柔性体302与led标定盘303，透明柔性体302分别与视觉检测模块301和led标定盘303通过胶粘固定连接，视觉检测模块301能够透过透明柔性体302获取led标定盘303的二维图像。

参见图4所示，视觉检测模块301包含摄像头基座401和微型摄像头402，微型摄像头402固定安装在摄像头基座401的中心位置，摄像头基座401与足式机器人小腿1的末端固定连接。

参见图5所示，led标定盘303包含装置基座501和9个球形发光二极管502，球形发光二极管502以3×3矩阵形式固定安装在装置基座501上，其中球形发光二极管502矩阵的中心与装置基座501的中心重合，且球形外壳201的球心与装置基座501的中心重合。

参见图6所示，以球形外壳201的圆心为受力坐标系的原点，建立足端多维力感知装置2的受力坐标系，当球形外壳201受到x轴方向力时，使得led标定盘303沿x轴侧移位移为d，根据公式(1)可知，led标定盘303的侧向位移d与受力f成正比。该偏移距离d是通过led标定盘303中球形发光二极管502中心的平均偏移像素进行计算。当球形外壳201受到y轴方向力时，检测原理与x轴相同，

式中f为所受的力，l为弹性体厚度，e为材料的弹性模量，i为弹性体横截面的惯性矩。

参见图7所示，当球形外壳201受到绕x轴方向力矩时，使得led标定盘303绕x轴旋转θ角度，根据公式(2)可知，led标定盘303的旋转角度θ与力矩m成正比。该旋转角度θ的计算是首先获取受力前后led标定盘303中球形发光二极管502中心成像的像素距离lm，ld，然后依据式(3)计算，当球形外壳201受到绕y轴方向力矩时，检测原理与x轴相同，

式中me为所受的转矩，l为弹性体厚度，e为材料的弹性模量，i为弹性体横截面的惯性矩。

lm＝ldcosθ(3)

参见图8所示，当球形外壳201受到沿z轴方向力时，使得led标定盘303沿z轴移动距离hz，根据公式(4)可知，led标定盘303的移动距离hz与力fz成正比。根据小孔成像原理，当led标定盘303离微型摄像头402越近，成像的面积越大，因此，根据公式(5)可以计算led标定盘303沿z轴的位移，

式中e为弹性体材料的弹性模量，a为弹性体的横截面积，l为弹性体厚度。

式中h为不受力时led标定盘303与微型摄像头402之间的距离，s为不受力时led标定盘303成像的像素个数，sz为受力位移后led标定盘303成像的像素个数。

参见图9所示，当球形外壳201受到绕z轴方向力矩时，使得led标定盘303绕z轴旋转θz角度，根据公式(6)可知，led标定盘303的旋转角度θz与力矩mz成正比。为计算led标定盘303的转角θz，受力时球形发光二极管502中心的移动距离为lz与未受力时球形发光二极管502之间的距离lp，根据余弦定理求得led标定盘303的转角θz如式(7)，

式中g为切变模量，it为极惯性矩，

根据以上设计可知，可利用神经网络对该多维力感知装置进行静态标定，足端多维力感知装置2能够较好地实现足式机器人足端多维力信息的感知。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。